氧化物自由能图

氧化物质自由能图是显示化合物稳定性的温度依赖性的图。 该分析通常用于评估金属氧化物和硫化物的还原难易程度。 这些图表最初由 Harold Ellingham 于 1944 年绘制。在冶金学中，氧化物质自由能图用于预测金属、其氧化物和氧之间的平衡温度——并推而广之，用于预测金属与硫、氮、 和其他非金属。 这些图表可用于预测将矿石还原成金属的条件。 该分析本质上是热力学的，忽略了反应动力学。 因此，氧化物质自主能图预测有利的过程可能仍然很慢。

氧化物质自由能图是反应的热力学可行性取决于 ΔG 符号的原理的一种特殊图形形式，即吉布斯自由能变化等于 ΔH − TΔS，其中 ΔH 是焓变，ΔS 是熵变。

氧化物质自由能图将每个氧化反应的吉布斯自由能变化 (ΔG) 绘制为温度的函数。 为了比较不同的反应，ΔG的所有值都是指相同数量的氧气的反应，选择一摩尔O (1⁄2 mol O_{2) 由一些作者和一颗痣 O2 由其他人。 显示的图表指的是 1 摩尔 O2，例如 铬的氧化线显示反应 4⁄3 Cr(s) + O2(g) → 2⁄3 Cr2O3(s)，即摩尔吉布斯形成能的 2⁄3 ΔGf°(Cr2O3, s). /sub>}

在常用的温度范围内，金属和氧化物处于凝聚态（固态或液态），而氧气是一种摩尔熵大得多的气体。 对于每种金属的氧化，对熵变 (ΔS) 的主要贡献是去除 1⁄2 mol O_{2，因此 ΔS 为负且对于所有金属大致相等。 因此，曲线 d Δ G / d T = − Δ S {displaystyle dDelta G/dT=-Delta S} 的斜率对所有金属都是正的，ΔG 总是随着温度的降低而变得更负， 并且所有金属氧化物的线近似平行。 由于这些反应是放热的，因此它们总是在较低温度下变得可行。 在足够高的温度下，ΔG 的符号可能会反转（变为正值），氧化物会自发还原为金属，如 Ag 和 Cu 所示。}

对于碳的氧化，红线是为了形成 CO：C(s) + 1⁄2 O_{2 (g) → CO(g) 随着气体摩尔数的增加，导致正的 ΔS 和负的斜率。 CO2 形成的蓝线大致水平，因为反应 C(s) + O 2(g) → CO2(g) 气体的摩尔数不变，因此ΔS很小。}

与任何基于纯热力学基础的化学反应预测一样，如果反应路径中的一个或多个阶段具有非常高的活化能 EA，则自发反应可能会非常缓慢。

如果存在两种金属，则必须考虑两种平衡。 将形成具有更负的 ΔG 的氧化物，而另一个氧化物将被还原。

• 氧化物质自由能图中关于金属氧化物形成的曲线基本上是具有正斜率的直线。 斜率与ΔS成正比，ΔS几乎随温度变化。
• 金属线在氧化物质自由能图中的位置越低，其氧化物的稳定性就越高。 例如，发现 Al（铝的氧化）线低于 Fe（形成 Fe_{2O 3).}
• 金属氧化物的稳定性随温度升高而降低。 Ag_{2O 和 HgO 等高度不稳定的氧化物很容易发生热分解。}